Hô hấp tế bào là gì? Tìm hiểu các giai đoạn, chức năng và vai trò

Cơ thể con người nạp oxy mỗi ngày thông qua cơ chế hô hấp, biểu hiện qua các động tác hít vào và thở ra ở lồng ngực. Nhưng ở mức độ tế bào, hô hấp là quá trình chuyển hóa tạo thành năng lượng. Vậy chính xác hô hấp tế bào là gì, diễn ra ở đâu và đóng vai trò như thế nào trong y học hiện đại? Câu trả lời sẽ được Mescells giải đáp thông qua bài viết dưới đây.

1. Hô hấp tế bào là gì?

Hô hấp tế bào (cellular respiration) là chuỗi phản ứng hóa sinh mà tế bào sử dụng để phân giải các phân tử hữu cơ, chủ yếu là glucose, nhằm giải phóng năng lượng dưới dạng ATP (adenosine triphosphate), đồng thời tạo ra khí CO2 và nước. ATP sau đó được dùng làm nguyên liệu cho gần như mọi hoạt động sống của tế bào.

Tùy vào sự có mặt của oxy, hô hấp tế bào được chia thành hai hình thức. Hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) cần oxy, diễn ra qua bốn giai đoạn liên tiếp và tạo ra lượng ATP lớn; trong khi hô hấp kỵ khí hay lên men (fermentation) không cần oxy, chỉ dừng lại ở giai đoạn đường phân và tạo ra rất ít ATP.

Hô hấp tế bào là một chuỗi phản ứng hóa học âm thầm nuôi sống tế bào 

2. Vị trí và các giai đoạn của hô hấp tế bào

Hô hấp tế bào xảy ra trong tế bào của tất cả các sinh vật sống, trong đó hô hấp hiếu khí là quá trình đặc trưng nhất, được chia thành 3 giai đoạn chính và 1 giai đoạn trung gian:

2.1. Đường phân

Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp tế bào, diễn ra tại tế bào chất. Qúa trình này bao gồm 10 enzyme chuyển hóa hoạt động theo trình tự để chuyển đổi một phân tử glucose sáu carbon thành hai phân tử pyruvate 3-carbon. Quá trình chuyển đổi kỵ khí này tạo ra hai phân tử ATP, hai phân tử nicotinamide adenine dinucleotide khử (NADH) và hai phân tử nước cho mỗi phân tử glucose đi vào chu trình [1].

Giai đoạn chuyển hóa Pyruvate thành Acetyl-CoA

Trong tế bào nhân chuẩn, các phân tử pyruvate được tạo ra ở cuối quá trình đường phân được vận chuyển vào ty thể, nơi diễn ra quá trình hô hấp tế bào. Nếu có oxy, quá trình hô hấp hiếu khí sẽ tiếp tục. Trong ty thể, pyruvate sẽ được chuyển hóa thành nhóm acetyl hai carbon (bằng cách loại bỏ một phân tử carbon dioxide) và được một hợp chất vận chuyển gọi là coenzyme A (CoA) thu nhận. Hợp chất thu được được gọi là acetyl CoA và quá trình sản xuất của nó thường được gọi là quá trình oxy hóa hoặc chuyển hóa Pyruvate [2].

>>> Tìm hiểu thêm: Tín hiệu tế bào là gì? Tiềm năng đột phá của tế bào gốc MSC

Các giai đoạn của quá trình hô hấp tế bào 

2.2. Chu trình Krebs (chu trình axit citric)

Chu trình Krebs là một chuỗi các phản ứng được xúc tác bởi nhiều enzyme trong ty thể. Quá trình này bắt đầu khi acetyl CoA kết hợp với một phân tử bốn carbon gọi là OAA, tạo ra axit citric, có sáu nguyên tử carbon. Sau khi axit citric hình thành, nó trải qua một loạt các phản ứng giải phóng năng lượng. Năng lượng này được thu giữ trong các phân tử ATP và các chất mang điện tử ở dạng khử là NADH và FADH2 – tức là các phân tử NAD+ và FAD sau khi nhận thêm electron trong quá trình oxy hóa các hợp chất carbon. Carbon dioxide cũng được giải phóng như một sản phẩm phụ của các phản ứng này.

Bước cuối cùng của chu trình Krebs tái tạo OAA, phân tử này cần thiết cho vòng tiếp theo của chu trình. Vì mỗi phân tử glucose sau đường phân tạo ra hai phân tử pyruvate, nên hai vòng chu trình sẽ được thực hiện để chuyển hóa hoàn toàn lượng pyruvate này.

2.3. Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa

Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình hô hấp tế bào hiếu khí, trong đó các tế bào sử dụng oxy và chuỗi vận chuyển electron để tạo ra một lượng lớn ATP (adenosine triphosphate). Quá trình này diễn ra bên trong màng trong của ty thể.

Ngoài ra, ở những tế bào nhân sơ như vi khuẩn, vốn không có ty thể, toàn bộ quá trình hô hấp tế bào diễn ra ngay trong bào tương và trên màng sinh chất, thay vì trên một bào quan chuyên biệt.

Phosphoryl hóa oxy hóa là giai đoạn cuối cùng của quá trình hô hấp tế bào 

3. Chức năng của hô hấp tế bào đối với cơ thể

Chức năng cốt lõi và trực tiếp nhất của hô hấp tế bào là cung cấp ATP, nguồn năng lượng vận hành gần như mọi hoạt động sống. Ở cấp độ tế bào, ATP được dùng để co cơ, duy trì các bơm ion qua màng tế bào (như bơm Na+/K+-ATPase), tổng hợp protein và axit nucleic, cũng như vận chuyển chủ động các chất qua màng sinh học. Ở cấp độ cơ thể, năng lượng này chuyển hóa thành mọi biểu hiện sống có thể quan sát được từ nhịp đập của tim, sự dẫn truyền xung thần kinh, cho đến khả năng vận động của toàn bộ hệ cơ xương.

Bên cạnh việc tạo ATP, hô hấp tế bào còn góp phần điều hòa thân nhiệt, do một phần năng lượng trong quá trình chuyển hóa được giải phóng dưới dạng nhiệt thay vì được tích trữ hoàn toàn trong ATP. Cơ chế này đặc biệt rõ ở mô mỡ nâu, nơi có mật độ ty thể cao và chuyên biệt hóa cho việc sinh nhiệt. Ngoài ra, sản phẩm phụ CO2 sinh ra từ hô hấp tế bào cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng pH máu và kích thích trung khu hô hấp ở não bộ điều chỉnh nhịp thở ngoài cho phù hợp với nhu cầu chuyển hóa của cơ thể.

Chức năng chính của hô hấp tế bào là chuyển hóa chất dinh dưỡng thành năng lượng có thể sử dụng

4. Vai trò của hô hấp tế bào trong y học

Vì là nền tảng năng lượng của sự sống, bất kỳ trục trặc nào trong hô hấp tế bào đều có thể gây ra hậu quả lâm sàng nghiêm trọng. Hiểu rõ cơ chế này cũng mở ra nhiều hướng chẩn đoán, điều trị mới.

4.1. Trong bệnh tật và chẩn đoán

Sự gián đoạn hoặc trục trặc trong quá trình hô hấp tế bào có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Các bệnh ảnh hưởng đến chức năng ty thể, chẳng hạn như bệnh cơ ty thể hoặc một số rối loạn chuyển hóa nhất định, có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sản xuất năng lượng trong tế bào. Những tình trạng này thường biểu hiện ở tình trạng yếu cơ, các vấn đề thần kinh và nhiều vấn đề toàn thân khác nhau [3].

4.2. Tiềm năng ứng dụng

Một ứng dụng lâm sàng đã đi vào thực tế từ lâu là kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) sử dụng chất đánh dấu 18F-FDG [4]. Kỹ thuật này khai thác chính đặc điểm chuyển hóa bất thường của tế bào ung thư, hiện tượng Warburg, trong đó tế bào ung thư ưu tiên đường phân hiếu khí thay vì hô hấp hiếu khí đầy đủ dù có đủ oxy, để phát hiện và định vị khối u dựa trên mức tiêu thụ glucose tăng cao bất thường. Từ đây, nhiều nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển thuốc nhắm vào các enzyme đường phân then chốt như hexokinase hay pyruvate kinase M2 nhằm mục đích làm cho tế bào ung thư thiếu năng lượng [5].

Kỹ thuật PET khai thác đặc điểm chuyển hóa bất thường trong hô hấp tế bào của tế bào ung thư 

Một hướng đi mới nổi khác là liệu pháp cấy ghép ty thể (mitochondrial transplantation). Liệu pháp này sẽ đưa ty thể khỏe mạnh, còn nguyên vẹn chức năng hô hấp, vào các mô đang bị tổn thương do thiếu máu cục bộ, điển hình như trong nhồi máu cơ tim hoặc đột quỵ thiếu máu não. Một số thử nghiệm lâm sàng giai đoạn đầu trên bệnh nhân tim mạch nhi khoa đã cho thấy tính an toàn và khả năng cải thiện chức năng cơ tim sau tổn thương thiếu máu – tái tưới máu [6].

4.3. Thách thức còn tồn tại

Một trong những thách thức khi nghiên cứu và ứng dụng hô hấp tế bào là các bệnh lý ty thể nguyên phát, do đột biến ở ADN ty thể hoặc ở các gen nhân mã hóa protein hô hấp tế bào, vẫn là nhóm bệnh lý khó điều trị bậc nhất trong y học. Do có nhiều gen liên quan đến chức năng ty thể, việc xác định chính xác nguyên nhân di truyền vốn đã phức tạp, và cho đến nay phần lớn các trường hợp vẫn chưa có phương pháp điều trị đặc hiệu làm thay đổi được tiến triển bệnh, mà chủ yếu tập trung vào kiểm soát triệu chứng và theo dõi đa chuyên khoa.

Đối với hướng nhắm mục tiêu chuyển hóa trong ung thư, thách thức nằm ở tính chọn lọc. Nhiều tế bào bình thường của cơ thể như tế bào miễn dịch đang hoạt hóa và tế bào gốc, cũng phụ thuộc một phần vào đường phân tương tự tế bào ung thư, khiến việc ức chế các enzyme này dễ gây độc tính ngoài mong muốn.

Đối với liệu pháp cấy ghép ty thể, phần lớn các thành tựu hiện nay vẫn đến từ mô hình động vật hoặc các thử nghiệm quy mô nhỏ, nhiều cơ chế vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn, đòi hỏi thêm nhiều nghiên cứu trước khi có thể ứng dụng rộng rãi [7].

Thành tựu cấy ghép ty thể với hệ thống hô hấp tế bào nguyên vẹn trên mô hình động vật đòi hỏi phải mở rộng thêm nhiều nghiên cứu trước khi ứng dụng rộng rãi

Nhìn bề ngoài, hô hấp tế bào chỉ là một chuỗi phản ứng hóa sinh thầm lặng diễn ra ở quy mô micromet. Nhưng chính chuỗi phản ứng ấy lại là mạch nguồn năng lượng cho mọi nhịp đập, mọi suy nghĩ và mọi chuyển động của cơ thể sống. Khi y học ngày càng đi sâu vào từng giai đoạn của quá trình này, cánh cửa cho những phương pháp chẩn đoán hình ảnh chính xác hơn, những liệu pháp chuyển hóa nhắm trúng đích và cả những kỹ thuật phục hồi năng lượng tế bào bằng ty thể cấy ghép cũng dần được mở ra, hứa hẹn thay đổi cách y học tiếp cận nhiều bệnh lý vốn được xem là nan giải.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells

NGUỒN THAM KHẢO:

• Sarah J Kierans, 2024, “Glycolysis: A multifaceted metabolic pathway and signaling hub”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11605472/ 
• Suzanne Wakim, “5.9: Cellular Respiration”, Biology LibreTexts, https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Human_Biology/Human_Biology_(Wakim_and_Grewal)/05%3A_Cells/5.09%3A_Cellular_Respiration
• Isabelle Guan, 2023, “Cellular Respiration Biochemical Processes and Significance”, Journal of Nutrition Science Research, https://www.omicsonline.org/open-access/cellular-respiration-biochemical-processes-and-significance-127930.html
• Ahmad Almuhaideb, 2011, “18F-FDG PET/CT Imaging In Oncology”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3101722/
• Tengjiao Fan, 2019, “Tumor Energy Metabolism and Potential of 3-Bromopyruvate as an Inhibitor of Aerobic Glycolysis: Implications in Tumor Treatment”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6468516/
• Xinyi Wang, 2024, “Mitochondrial transplantation for the treatment of cardiac and noncardiac diseases: mechanisms, prospective, and challenges”, Oxford Academic, https://academic.oup.com/lifemedi/article/3/2/lnae017/7658660
• Kei Hayashida, 2021, “Mitochondrial transplantation therapy for ischemia reperfusion injury: a systematic review of animal and human studies”, Springer Nature Link, https://link.springer.com/article/10.1186/s12967-021-02878-3